В статье представлены результаты анализа изменений коллекторских свойств базальных красноцветных песчаников нижнего эоцена юго-восточной части впадины Цзиян (бассейн Бохайвань, Китайская Народная Республика), обусловленных основными процессами, протекающими на разных этапах диагенеза и катагенеза, в т. ч. изменением кислотно-щелочных (рН) условий осадконакопления. Анализ проводился на основе микроописаний большого количества кернового материала. Отмечено, что из числа процессов диагенеза и катагенеза, проявившихся в ходе исследования отложений, основную роль играют уплотнение осадка и образующих коллектор пород, частичное (коррозия) растворение минералов и метасоматическое замещение. Сделано заключение, что на стадиях диагенеза и протокатагенеза в более щелочных условиях среды образовалось значительное количество карбонатного цемента, а в дальнейшем на стадиях мезокатагенеза и апокатагенеза разрушение органического вещества привело к повышению кислотности среды, в результате чего полевые шпаты и ранее образовавшиеся карбонатные цементы растворились, способствуя увеличению вторичной пористости. Установлено, что кислотно-щелочные (рН) условия осадконакопления в разных районах впадины отличаются, как и интенсивность процессов, происходивших на стадиях диагенеза и катагенеза, что позволяет выделить три зоны: периферию впадины со слабощелочными-слабокислыми условиями среды, зону внутри пологого склона впадины с сильнощелочными-сильнокислыми условиями среды и зону в центре впадины с сильнощелочными-слабокислыми условиями. В этих зонах в различной степени проявляются уменьшение первичной и увеличение вторичной пористости, что, в свою очередь, позволяет сделать заключение о наличии различных типов пустотных пространств в базальных красноцветных песчаниках со значительно различающимися коллекторскими свойствами.

Впадина Цзиян, расположенная на юго-востоке бассейна Бохайвань, является одним из наиболее изученных объектов бассейна, обладающих доказанной нефтегазоносностью. Залежи углеводородов в основном сосредоточены в палеогеновых отложениях – формациях Кундян, Шахэцзе и Дунин, причем представленные преимущественно песчаниками свиты Кундян-1 и Нижняя Шахэцзе – 4 обладают наилучшими коллекторскими свойствами среди базальных красноцветных отложений.

В данной статье анализируются условия диагенетических и катагенетических преобразований базальных красноцветных песчаников в разных зонах впадины Цзиян на основе микроописаний большого количества кернового материала, а также влияние диагенеза и катагеза на фильтрационно-емкостные свойства (ФЕС) песчаных коллекторов в различных кислотно-щелочных условиях.

ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ДИАГЕНЕТИЧЕСКИХ И КАТАГЕНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Микроописания шлифов горных пород показывают, что основными диагенетическими и катагенетическими процессами, протекавшими в изученных песчаных коллекторах, являются уплотнение осадка и образующих коллектор пород под давлением вышележащих слоев, цементация, частичное (коррозия) и полное растворение минералов, метасоматическое замещение и перекристаллизация обломочных зерен.

Уплотнение осадка и осадочных пород

Эти явления хорошо прослеживаются при изучении песчаников, распространенных главным образом в свитах Нижняя Шахэцзе – 4 и Кундян-1. Глубина залегания песчаников в данных свитах варьирует в широких пределах, и по мере ее увеличения контакты обломочных зерен с точки зрения морфологии меняются с точечных на линейные и неровные (вогнуто-выпуклые): на стадиях диагенеза и протокатагенеза при глубине залегания менее 2500 м обломочные зерна, как правило, находятся в точечном или линейном контакте; на подстадиях мезокатагенеза и апокатагенеза при глубине залегания более 3500 м – в линейном либо неровном (вогнуто-выпуклом) контакте. В целом для процесса уплотнения большое значение имеют такие характеристики, как химический, минералогический и гранулометрический составы пород [1].

Цементация

В базальных красноцветных отложениях присутствуют следующие типы цементов [2]:

• карбонатный – самый распространенный (с содержанием 0,5–30,0 %), причем содержание кальцита и доломита имеет тенденцию к уменьшению с увеличением глубины. При преобразовании смектита в иллит выделяется большое количество ионов железа [3], поэтому карбонатный цемент в глубоких песчаных коллекторах состоит в основном из феррокальцита и анкерита;
• кремнистый – как правило, регенерационный кварцевый;
• скрытокристаллический гематитовый – именно этот тип цемента придает красную окраску исследуемым отложениям;
• гипсовый и ангидритовый – большое содержание этих типов цемента в отложениях объясняется дегидратацией эвапоритов в условиях аридного климата.

Частичное (коррозия) растворение минералов

В большом количестве изученных образцов наблюдается развитие процессов растворения полевых шпатов и карбонатных цементов. Так, растворением полевых шпатов обусловлено более 50 % случаев формирования вторичной пористости, растворением карбонатных цементов – менее 20 %.

Метасоматоз

Метасоматоз в песчаных коллекторах выражен в замещении кварца и полевых шпатов кальцитом и доломитом, кварца – феррокальцитом и анкеритом [4]. Кроме того, наблюдается метосоматическое замещение карбонатных минералов. Так, кальцит замещается феррокальцитом, доломит и кальцит – анкеритом.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНЫХ УСЛОВИЙ НА СТАДИЯХ ДИАГЕНЕЗА И КАТАГЕНЕЗА

Осадконакопление изучаемых красноцветных отложений происходило в условиях аридного климата в бассейне с относительно высоким уровнем минерализации, в щелочной среде [5]. В процессе погружения органическое вещество нефтематеринских пород, расположенных над песчаными коллекторами, разлагалось с выделением большого количества кислот, в результате чего обстановка осадконакопления постепенно изменялась со щелочной на слабокислую и кислую.

Изменения кислотно-щелочных (pH) условий на стадиях диагенеза и протокатагенеза

Сделать определенные заключения об изменениях обстановки осадконакопления на стадиях диагенеза и протокатагенеза позволяют типы цементов. Так, карбонатный и ангидритовый цементы, а также растворение кварца могут свидетельствовать о наличии щелочной среды [6]. Изучение микроописания шлифов горных пород, отобранных в пяти скважинах, расположенных начиная от центра к периферии впадины Цзиян, позволило установить, что значение pH составляло: в скв. Хао 1 – 9,09; в скв. Ван 46 – 8,81; в скв. Ван 135 – 8,69; в скв. Ван 100 – 8,67; в скв. Ван 130 – 8,64; в скв. Ван 112 – 8,45. В целом значения параметра pH вписываются в диапазон 8,1–9,1. Таким образом, распределение уровня pH демонстрирует четкую закономерность изменения кислотно-щелочных условий осадконакопления – от сильнощелочных в центре впадины Цзиян до слабощелочных к ее периферии.

Изменения кислотно-щелочных (рН) условий на стадиях мезокатагенеза и апокатагенеза

Повышение кислотности среды привело к растворению полевых шпатов и карбонатных минералов цемента, что обусловило появление вторичной пористости коллекторов. Положение нефтематеринских пород в разрезе над коллекторами затрудняет поступление кислых флюидов в коллектор, следовательно, необходимым условием для свободного протекания процесса окисления среды является наличие крупных разломов [7–8]. Однако основная область распространения нефтематеринских пород приурочена к центру впадины, где такие разломы отсутствуют, что затрудняет проникновение кислот в коллектор и создает условия для формирования лишь слабокислой среды. В то же время в районе веерообразной дельты внутри пологого склона близко к нефтематеринской породе наличие крупных разломов обусловило формирование кислой обстановки. При увеличении протяженности путей миграции кислот их концентрация во флюидах уменьшалась, а условия осадконакопления в районах пролювиальных конусов выноса на периферии впадины Цзиян становились слабокислыми.

Рис. 1. Разрушение кварца (скв. Гао 51, глубина 1075,35 м), фото со 100-кратным увеличением

Таким образом, в пределах распространения базальных красноцветных отложений в юго-восточной части впадины Цзиян с точки зрения кислотно-щелочных условий осадконакопления могут быть выделены три зоны: слабощелочные-слабокислые на периферии впадины, сильнощелочные-сильнокислые внутри пологого склона впадины и сильнощелочные-слабокислые в центре впадины.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПОРИСТОСТИ В РАЗЛИЧНЫХ КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНЫХ (РН) УСЛОВИЯХ СРЕДЫ

Слабощелочные-слабокислые условия осадконакопления на периферии впадины

На периферии пологого склона юго-восточной части впадины Цзиян в основном распространены пролювиальные конусы выноса [9]. Из-за неглубокого залегания песчаных коллекторов процессы уплотнения осадочных пород на периферии выражены относительно слабо, контакты обломочных зерен в основном относятся к категориям точечных и линейных. Процесс цементации в слабощелочных условиях ослаблен.

Рис. 2. Образовавшийся в сильнощелочной среде цемент: а) кальцита и феррокальцита (скв. Гао 41, глубина 2291,64 м), фото с 200-кратным увеличением; б) кальцита (скв. Ван 130, глубина 1900,35 м), фото со 100-кратным увеличением

За счет уплотнения и цементации пористость в коллекторах на периферии впадины уменьшилась до 13,2 %, однако в глубине разреза по мере изменения условий среды до слабокислых за счет растворения полевых шпатов и карбонатного цемента вторичная пористость увеличилась до 2,5 %. Таким образом, в данных условиях среды в песчаных коллекторах преобладает первичная пористость, вторичная пористость проявлена слабо.

Сильнощелочные-сильнокислые условия осадконакопления пологого склона впадины

Внутри пологого склона впадины распространяются отложения веерообразной дельты. С увеличением глубины залегания в этой зоне возрастает содержание минералов магматического происхождения, таких как кварц и полевые шпаты, и наблюдается процесс уплотнения пород: с точки зрения морфологии здесь преобладают линейные и неровные (вогнуто-выпуклые) контакты зерен. В некоторых областях хрупкие обломки пород могут быть разрушены и раздроблены в процессе уплотнения (рис. 1). В сильнощелочной среде процессы цементации проходили более активно с образованием значительного количества карбонатного и ангидритового цементов (рис. 2). С течением времени условия осадконакопления изменились на сильнокислые, что привело к растворению полевых шпатов и карбонатного цемента и, как следствие, к формированию вторичной пористости (рис. 3). И если в результате уплотнения и цементации первичная пористость уменьшилась до 9,8 %, то вторичная пористость вследствие растворения минералов в кислой среде возросла до 10,7 %. Таким образом, в данных условиях в песчаных коллекторах представлены в равной степени как первичные, так и вторичные пустоты.

Рис. 3. Растворение полевых шпатов (скв. Гуан 4, глубина 2749,7 м), фото со 100-кратным увеличением

Рис. 4. Сильное уплотнение пород, обусловившее уменьшение первичной пористости (скв. Фан 1, глубина 3372,15 м), фото со 100-кратным увеличением

Рис. 5. Растворение доломита, обусловившее небольшое увеличение вторичной пористости (скв. Фан 1, глубина 3512,38 м), фото с 200-кратным увеличением

Сильнощелочные-слабокислые условия осадконакопления в центре впадины

Изолированные отложения песчаных баров развиты в мелководных озерах. Изначально условия осадконакопления были здесь сильнощелочными, уменьшение первичной пористости за счет цементации составляет 10,8 %. Кроме того, на данный процесс повлияли выраженные процессы уплотнения (рис. 4), обусловленные глубиной залегания пород, что привело к снижению пористости еще на 21 %. Таким образом, первичные пустоты практически полностью исчезли, первичная пористость снизилась до 3,2 %. В то же время из‑за отсутствия разломов, сообщающихся с нефтематеринскими породами, доступ кислых флюидов к песчаным коллекторам затруднен, поэтому процесс растворения полевых шпатов и карбонатных цементов шел неактивно, вследствие чего увеличение вторичной пористости за счет растворения минералов составило лишь 2,3 % (рис. 5).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Из числа процессов, проявившихся в песчаных коллекторах базальных красноцветных отложений юго-восточной части впадины Цзиян на стадии диагенеза и катагенеза, в основном выделяются уплотнение осадка и осадочных пород, цементация, частичное (коррозия) растворение минералов и метасоматоз.
2. Анализ исходных обстановок осадко-накопления и их изменения в процессе диагенеза и катагенеза позволил сделать выводы о преобладании щелочных условий на стадии диагенеза и протокатагенеза и формировании более кислой среды по мере погружения толщ пород, что обусловлено процессами разложения органического вещества нефтематеринских пород с выделением кислых продуктов разложения, изменивших pH среды в коллекторских интервалах.
3. От центра к периферии впадины выделяются три зоны, характеризующиеся различными сценариями изменения кислотно-щелочных (рН) условий среды и, как следствие, различным соотношением первичной и вторичной пористости коллекторов:
   • слабощелочные-слабокислые условия среды на периферии впадины: под воздействием данных условий первичная пористость уменьшилась до 13,2 %, вторичная увеличилась до 2,5 %, что говорит о главенствующей роли первичной пористости в формировании пустотного пространства коллекторов;
   • сильнощелочные-сильнокислые условия среды внутри пологого склона впадины: в этих условиях первичная пористость уменьшилась до 9,8 %, а вторичная увеличилась до 10,7 %, что определяет равную значимость как первичной, так и вторичной пористости;
   • сильнощелочные-слабокислые условия среды в центре впадины: для таких обстановок характерно сильное уменьшение первичной пористости (до 3,2 %) и минимальное увеличение вторичной пористости (до 2,3 %), что определяет наименьшую практическую значимость коллекторов данного типа для дальнейшего изучения.

Источник: журнал Территория "Нефтегаз" 9-10.2021
ДИАГЕНЕТИЧЕСКИЕ И КАТАГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕСЧАНИКОВ БАЗАЛЬНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НИЖНЕГО ЭОЦЕНА ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ВПАДИНЫ ЦЗИЯН (БАССЕЙН БОХАЙВАНЬ, КИТАЙСКАЯ НАРОДНАЯ РЕСПУБЛИКА)